双曲拱桥加固及静动载检测数值模拟研究

王大刚

（中国电子工程设计院,北京100142）

双曲拱桥加固及静动载检测数值模拟研究

王大刚

（中国电子工程设计院,北京100142）

针对双曲拱桥损坏现状，提出主拱圈加固采用锚喷技术，并将拱型结构变成箱型结构的加固方案，采用有限元分析方法对加固后双曲拱桥进行了动静力响应分析，并进行静动载试验，将计算结果和现场试验数据进行对比分析。结果表明,静荷载为40t、35t、30t条件下，相关挠度为46%～65.3%、28%～62.4%、52.8%～61.7%；行车速度为22km/h、26km/h和32km/h，相应冲击系数为1.084、1.165和1.181；分析挠度和应变校验系数分布规律可知，本次加固后桥梁整体稳定性和刚度较好，安全度较高；评定加固后的桥梁承载性能，为双曲拱桥维修加固提供了可靠参考。

双曲拱桥；加固；静动载；数值模拟

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.029

1 引言

双曲拱桥是我国自行设计建造的一种桥型，已有数十年历史，由于其具有较好的受力性能和承载能力，因此在中小桥中得到广泛采用。双曲拱桥的主要组成部分包括拱波、拱板、拱肋和横向隔板等，由于双曲拱桥具有化整为零的施工特点，因此不需大型施工设备。双曲拱桥具有结构简单、节省建筑材料和具有较大桥下净空等特点，但由于设计建造时间较早，因此存在较多问题，如结构安全系数较低、抗震性能较低和抗疲劳破坏能力较差等，因此在当前繁重交通荷载作用下，出现了不同程度的病害，其中一部分病害较为严重，部分丧失或全部丧失继续承载能力，因此不得不对其进行加固处理。

双曲拱桥的病害主要有上部结构病害和下部结构病害。上部结构病害主要包括：（1）由于建造时期用钢量不足，导致桥梁结构延性较差，造成拱波的纵向开裂；（2）双曲拱桥横隔板厚度和刚度不足，造成桥梁整体稳定性较差，产生较大的应力集中，从而引起拱波裂缝。下部结构病害主要包括：（1）建造时期混凝土强度不足，在长期处于外界条件下发生碳化反应，造成桥梁耐久性不足，以至于钢筋锈蚀，拱脚处裂缝较多；（2）建造时期，由于施工能力有限，造成基础浅埋，基础浅埋会发生地基承载力不足的现象，从而产生不均匀沉降，造成桥梁开裂。

经过多年使用，现役大量双曲拱桥呈现出不同程度的损坏，对交通安全造成较大隐患[1～4]。本文根据实际调查，采用合适的加固方法和施工工艺，进行全桥静、动载作用下桥梁仿真模拟实验，评定加固后的桥梁承载性能，为双曲拱桥维修加固提供可靠参考。

2 主拱圈加固方案

施工技术依据《公路桥涵施工技术规范》[5]规定。针对双曲拱桥主要损坏部位主拱圈，采用锚喷技术进行加固，拟在拱肋底部处施工增设14cm的混凝土板，并将其浇筑成整体，以增加其整体刚度和稳定性，采用箱型结构替换原来拱型结构，调整后的桥梁拱圈截面图如图1所示。

图1 加固后的主拱圈截面（单位：cm）

3 静载试验

3.1 测试截面和工况布置

根据外观普查结合桥梁荷载试验要求，选择第2孔作为荷载试验孔。加载数值分别为30t、35t、40t，加载位置分别为拱脚、1/4跨和跨中。

3.2 静荷载条件下数值计算

为了验证上述加固后桥梁整体稳定性和安全性，对桥梁整体进行数值模拟。在本次数值计算中，钢筋混凝土材料采用SOLID65单元进行模拟，其他部位采用SOUD95单元进行分析，建立三维数值模拟。本次数值模拟共划分81526个三维实体单元和56648个节点，其中钢筋结构单元共18862个。本次数值计算模型网格如图2所示。

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 变形分析

为了验证加固效果和数值模拟的准确性，将不同截面挠度变形的理论值和监测值进行对比分析。

在分别40t、35t、30t静荷载条件下，不同实测断面，不同荷载作用条件下，挠度校验系数值分别在46%～65.3%、28% ～62.4%、52.8%～61.7%之间，满足相关规范要求[5]。不同荷载作用、不同截面条件下，结构部件相对残余应变都较小，符合规范要求，结构处于弹性工作状态，表明加固后拱桥工作性能和整体稳定性都较好。

图2 结构单元离散图

3.3.2 应变分析

在试验荷载作用和有限元软件ANSYS数值模拟情况下，对偏载拱脚截面、偏载1/4截面、偏载拱顶截面中载拱脚截面、中载1/4截面、中载拱顶截面进行应变理论值和实测值的校核。

在40t、35t、30t荷载作用下，各测试截面各工况应变校验系数值分别在29.8%～98.2%、31.8%～101.2%、68.9%～101.9%之间，可以得到不同截面条件下应变校验系数，与相关规范比较可知，满足强制性要求[6]。试验和数值计算表明：相关结构部件的残余应变小于规范规定的20%，表明加固后拱桥工作性能较好。

4 动载现场试验

4.1 自振频率

4.1.1 振型比较

通过ANSYS模拟得到前三阶振型中第一阶振型实测值2.930，计算值为6.107；第二阶振型实测值5.423，计算值为8.181；第三阶振型实测值6.039，计算值为8.820。由上述数据可以看出：第一阶振型数值最小，第三阶振型数值最大；第一阶振型计算值与实际值相差最大，第三阶振型计算值与实际值相差最小，表明对第一阶振型计算时考虑影响因素不足，造成误差较大。

4.1.2 自振频率比较

静动荷载现场试验条件下，得到的拱桥频谱图如图3、图4所示。经傅里叶变换及相关处理可以得到上部结构前三阶频率实测值。结合图3和图4可以看出：在荷载作用前期，振动幅值变化较小；随着时间增长，振动幅值变大，表明振动幅值与时间有关。

图3 跨中实测基频自谱分析

图4 20km/h跑车跨中强迫振动

4.2 强迫振动

4.2.1 强迫振动时程曲线

图5 30km/h跑车跨中强迫振动

4.2.2 冲击系数

对加固后拱桥进行了动荷载条件下现场试验，得到了预定断面的动挠度，将其与静荷载作用下挠度对比分析可知：行车速度为22 km/h：相应冲击系数为1.084；行车速度为26km/h：相应冲击系数为1.165；行车速度为32km/h：相应冲击系数为1.181；较理论值偏小。上述结果表明：数值计算简化了模型复杂程度，因此,计算得到的自振频率小于实测结果，且冲击系数也小于实测结果，这表明结构动力性能良好。

图6 40km/h跑车跨中强迫振动

5 结论

1）采用有限元软件ANSYS对加固后拱桥进行了动静力响应分析，得到了材料非线性条件下加固后拱桥自振频率、振形等数据，并将计算结果和现场试验数据进行对比分析，结果表明数值模拟可以较好模拟拱桥结构受力特性；

2）由静动荷载试验数据，分析拱桥上部结构挠度变化规律和应变校验系数分布规律可知，本次加固后桥梁整体稳定性和刚度较好，安全度较高；

3）数值计算简化了模型复杂程度，因此计算得到的自振频率小于实测结果，且冲击系数也小于实测结果，这表明结构动力性能良好。

【1】GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].

【2】王国鼎,钟圣斌.拱桥（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2000.

【3】朱宏军,程海丽,姜德民.特种混凝土和新型混凝土[M].北京:化学工业出版社,2004.

【4】张劲泉,魏洪昌,徐岳等.公路旧桥加固成套技术及工程实例[M].北京:人民交通出版社,2007.

【5】JTG/TF 50—2011公路桥涵施工技术规范[S].

【6】交通部.公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）[Z].1988

Study on Reinforcement and Satic-dynamic Load Test of Double Curved Arch Bridge

WANG Da-gang
（ChinaElectronicsEngineeringDesignInstitute，Beijing 100142,China）

Aimingatthedamagestatusofdoublecurvedarchbridge,themainarchreinforcedbyshotcretetechnology,thereinforcement schemeofthearchstructureintoboxstructure,finiteelement analysismethodisusedto analyzethedynamicresponseofthe double curved archbridge.Staticanddynamicloadtestswerecarriedoutonthebridge,thecalculationresultsandfieldtestdatawerecomparedandanalyzed. The results show that:The static load is 40t,35t,30t conditions,the relevant deflection is 46%～65.3%,28%～62.4%,52.8%～61.7%.The drivingspeedis22km/h,26km/hand32km/h,thecorrespondingimpactcoefficientwas1.084,1.165and1.181.Analysisofdeflectionand straindistributionofthecalibrationcoefficient,theoverallstabilityofthebridgereinforcementandgoodstiffness,ahighdegreeofsafety;the performance evaluation ofbridge bearingafterreinforcement,to providea reliable reference forthe maintenance of hyperbolic arch bridge reinforcement.

double-curved arch bridge；reinforce;staticanddynamicload;numerical simulation

U445.7+2;TU441+.2

A

1007-9467（2016）06-0111-03

2016-04-15

王大刚（1977～）,男，黑龙江集贤人，高级工程师,从事建筑工程设计与研究，（电子信箱）44295743@qq.com。